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Evaluación, Reparación y Rehabilitación de Estructuras de Concreto

Gustavo Tumialan

Simpson Gumpertz & Heger, Inc.

Boston, Massachusetts

www.sgh.com

INTRODUCCION

§ Reparación de Concreto: – Ciencia (análisis) + arte (creatividad)

– La combinación de los dos resulta en una estrategia de rehabilitación exitosa

§ El costo anual de reparación de edificios y parqueos en los Estados Unidos es estimado en $2.5 a $3 billones– Fuente: “Vision 2020: A Vision for the Concrete Repair,

Protection, and Strengthening Industry”

§ Métodos de evaluación, rehabilitación y reparación varían ampliamente – Comité 562 del ACI – “Evaluation, Repair, and Rehabilitation of

Concrete Buildings” (2006)

– Norma que defina los estándares

© 2009 Simpson Gumpertz & Heger Inc 2

§ Objetivo: desarrollar una norma para la evaluación, reparación y rehabilitación de edificaciones de concreto– Definir los estándares de la industria

– Elevar el nivel de la performance de las reparaciones estructurales: procedimientos para la evaluación y diseño, selección de materiales, inspecciones

§ “Building Code Requirements for Repair of Existing Structural

Concrete”

– Ingenieros, contratistas, fabricantes, investigadores

– Listo para el 2012

Trabajo del Comité ACI 562

© 2009 Simpson Gumpertz & Heger Inc. 3

§ Proyectos de Reparación y Rehabilitación: no se intenta crear una nueva edificación– Lograr que la estructura sea segura, equivalente al de un sistema

estructural nuevo

– Extender la vida útil de la estructura

§ Norma prescriptiva no es practica– Difícil que una estructura existente cumpla con normas actuales

– Muchas permutaciones entre materiales nuevos y existentes

§ Norma ACI 562: basada en performance– Dar flexibilidad pero asegurando la seguridad de la estructura

– Reconocer la posibilidad de muchas soluciones para un problema

– No limitar la creatividad en el diseño e implementación de las reparaciones

– La norma enfatizara seguridad mientras que los comentarios citaran otros documentos del ACI, ICRI y otras organizaciones para dar guías y detalles


Trabajo del Comité ACI 562

§ Modificación estructural

– Reforzamiento para nuevas cargas muertas o vivas

– Reconfiguración estructural: adiciones, escaleras, ascensores

§ Deterioro estructural

– Refuerzo: corrosión

– Concreto: reacción alkali-silice (ASR), ciclos de congelamiento-

descongelamiento

§ Daño estructural

– Físico: impacto vehicular

– Incendios

§ Deficiencia estructural

– Errores de construcción

– Errores de diseño

Cuando se requiere rehabilitación o reparación?


1. Observar y analizar la estructura– Determinar la condición existente

• Trabajo de campo• Ensayos de campo y laboratorio

– Análisis estructural

2. Diagnosticar problemas en la estructura– Encontrar la causa

3. Establecer el tipo y grado de intervención estructural– Flexión, corte, punzonamiento, etc.– Rehabilitación local o global

4. Implementar las acciones para rehabilitar/reparar– Tratar la causa, no solo los síntomas

5. Establecer un programa de mantenimiento– Dependiente del tipo de estructura– Evitar problemas en el futuro

Reparación y Rehabilitación Estructural


Estructura = “Paciente” de concreto, acero, albañilería o madera

INVESTIGACION ESTRUCTURAL

§ Investigación inicial

§ Evaluación de las condiciones existentes

§ Revisión estructural

§ Diagnostico del problema

§ Estrategia para la rehabilitación


Investigación Inicial

§ Revisar información disponible – Planos y especificaciones de la construcción original

– Fotografías

– Reportes pasados

– Proyectos pasados: reparaciones, adiciones

– Historia de mantenimiento

§ Entrevistar personas que conozcan la estructura– Dueños

– Arquitectos o Ingenieros que la diseñaron

– Personal de mantenimiento


Evaluación de las Condiciones Existentes

§ Observaciones visuales– Que esta tratando de decir la estructura

– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación, desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas

– Verificar información incluida en planos originales



Asentamiento

Deficiencia

Temperatura

Grietas


Deflexión

Delaminación

Desconchamiento





§ Exploración– Determinar condiciones no ocultas o no visibles

– Obtención de muestras



Losa Postensada

Losa de Acabado

Extracción de Muestras


§ Observaciones visuales– Que nos esta tratando de decir la estructura



§ Exploración– Determinar condiciones no ocultas o no visibles


§ Ensayos en el campo– No destructivos

– Pruebas de carga


Ensayos no destructivos


Complejidad Ensayo Respuesta buscada

Simple Visual Cual es la apariencia?

Sondeo Es el concreto delaminado? (superficialmente)

Esclerómetro Cual es la calidad y resistencia del concreto?

(idea general)

Moderado Pacómetro Donde están la varillas?

De que tamaño son?

Potencial de media celda Esta el refuerzo corroyéndose? Donde?

Complejo Velocidad de Pulso

Ultrasónico

Cual es la resistencia del concreto?

Hay cangrejeras? Hay Grietas internas?

Indice de Corrosión Que tan rápido se esta corroyendo el refuerzo?

Prueba de Impacto-Eco

Prueba de Impulso a la Onda

Cual es el espesor?

Son buenos los apoyos?

Radar de Penetración

Terrestre (GPR)

Donde están las varillas?

Que hay dentro del concreto?

Ensayos no destructivos


Impacto-Eco Impulso a la Onda

Indice de Corrosión

Postensado

Parte InferiorLosa

Parte Superior

Losa

Radar


Pruebas de Carga

0

4

8

12

16

20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Deflection [in]

Lo

ad

[k

ip]

1.0 DW+1.6 L

1.2 D+1.6 L

1.15 D+1.5 L

ACI 318

ACI 437





§ Exploración– Determinar condiciones ocultas o no visibles


§ Ensayos en el campo– No destructivos

– Pruebas de carga

§ Ensayos en el laboratorio– Contenido de Cloruro

– Profundidad de Carbonatación

– Petrografía


Ensayos de Laboratorio


1.25 lb/yd3

Carb

on

ata

ció

nCloruro dentro del concreto destruye la capa “pasiva” de protección del refuerzo

Carbonatación reduce el ambiente alcalino alrededor del refuerzo

Petrografía


Agrietamiento

Efecto de Retemplado

Revision Estructural

§ Objetivo: identificar problemas estructurales

§ Análisis estructurales considerando:– Como la estructura fue en realidad construida

– Condición actual

– Propiedades reales de los materiales

§ Pruebas de carga– Complementar análisis estructural

– Validar modelos estructurales

– Verificar la efectividad del reforzamiento


Diagnostico del Problema y Estrategia de Rehabilitación

§ Evaluación de Alternativas– Ventajas y Desventajas

– Costos iniciales vs. costos a largo plazo

§ Preparación de Documentos – Reportes

– Planos y Especificaciones

§ Calendario para la implementación de las reparaciones– Fondos disponibles, tamaño de la estructura

– Fases: una, varias

§ Programa de mantenimiento– Inspecciones periódicas


Métodos de Reforzamiento Estructural

§ Flexión

– Ensanchamiento de sección

– Post-tensado externo

– Reducción de la luz

– Apoyos suplementarios

– Sistemas FRP: laminados o varillas

§ Corte

– Ensanchamiento de sección

– Refuerzo externo (acero, FRP)

§ Punzonamiento

– Capiteles nuevos de concreto o acero

§ Carga Axial

– Encamisamiento de columnas con concreto, planchas de acero o FRP

§ Cargas Laterales

– Reforzamiento de placas existentes

– Construcción de placas nuevas

– Arriostramiento de pórticos


Flexión


Vigas Suplementarias

Apoyos Intermedios

Flexión


Planchas de Acero

FRP

Ensanchamiento

Post-tensado Externo

Corte


FRPEnsanchamiento

Estribos Externos

Columnas


Ensanchamiento

FRP

Punzonamiento


Acero

Concreto

Protección contra la corrosión

Reducir o detener deterioro y extender la vida útil de la estructura reparada


Photo Credits: Vector Corrosion Technologies

§ Protección Interna– Capas de antioxidante en

el refuerzo

– Inhibidores de corrosión

– Protección catódica

– Protección galvánica

– Extracción de cloruros

– Re-alcalinización

Protección contra la corrosión


§ Protección Externa– Selladores

– Membranas impermeabilizantes

– Recubrimientos de anti-carbonatación

Photo Credit: Portland Cement Association

Muestras de la Reparación

§ Reparaciones estructurales tienen riesgos debido a complejidad y desconocimiento

§ Muestras de la reparación son cruciales para evaluar cuestiones especiales relacionadas a la rehabilitación/ reparación– Capacidad del contratista

– Constructabilidad

– Aspecto

– Costo

– Interrupciones


ESTUDIO DE CASOS

§ Edificio de Parqueo

§ Estadio de Futbol

§ Muro de Contención


EDIFICIO DE PARQUEO – KANSAS CITY


§ Dos parqueos para complejos de departamentos

§ Parqueo en 4 niveles, construido en 1999

§ Losas post-tensadas en dos direcciones (15 cm)



§ Inspección de todos los elementos estructurales– Losas (partes superiores e inferiores)

– Columnas

§ Determinar la ubicación real del refuerzo y el espesor real de las losas usando ground penetrating radar –

GPR

§ Medir las deflexiones en las losas

§ Extracción de cilindros de concreto para ensayos de laboratorio


Delaminación

GrietasGrietas

Grietas

Revisión Estructural


§ Análisis estructural considerando las condiciones existentes:

§ Ubicación del refuerzo

§ Espesor de losa

Resultados de la Investigación y Diagnostico

§ Profundidad de los tendones mayor que la especificada en las áreas de momento negativo – 3 cm (especificado) vs 8 cm (construido)

§ Capacidad a la flexión significativamente reducida en muchas áreas de momento negativo y algunas de momento positivo– 70% de las áreas de momento negativo requerían reforzamiento

para satisfacer las demandas de carga

§ Resistencia al corte por punzonamiento reducida en muchas áreas– Areas en columnas interiores e exteriores

§ Petrografía: agrietamiento hasta 8 cm de profundidad

§ Contenido de cloruro: aceptable

§ Problema Estructural


Estrategia de Reparación y Rehabilitación

§ Reforzamiento por flexión de áreas de momento negativo– Sistemas FRP

– Capiteles de concreto

§ Reforzamiento al corte por punzonamiento– Capiteles de concreto

– Sistemas FRP (solo hasta deficiencias de 30%)

– Nuevas vigas para las rampas

§ Pruebas de carga para verificar que el reforzamiento funciona– Capiteles vs. FRP (efectividad, costo)


Pruebas de Carga


4to. Nivel

3er. Nivel

2do. Nivel

1er. Nivel

Instrumentación

Losa Ensayada

Nivel usado como contrapeso

Nivel usado como contrapeso

Método del ACI 437


0

4

8

12

16

20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Deflection [in]

Lo

ad

[k

ip]

1.0 DW+1.6 L

1.2 D+1.6 L

1.15 D+1.5 L

0

4

8

12

16

20

0 0.007 0.014 0.021 0.028 0.035

Crack Opening [in]

Lo

ad

[k

ip]

Crack Opened

1.0 DW+1.6 L

1.15 D+1.5 L

1.2 D+1.6 L

1.0 D+1.0 L

Crack Opening

Carga-Deflexión

Carga-Espesor de Grieta

Pruebas de Carga

Reparación y Rehabilitación


Varillas de FRP



Capiteles de Concreto



Vigas de Concreto

Laminados de FRP



Reparación de la Losa

Laminados de FRP

ESTADIO DE FUTBOL – UNIVERSITY OF NOTRE DAME


§ Estructura de concreto reforzado construida entre 1929 y 1930 (Capacidad: 59,075)

§ Estructura aporticada soportando las graderías con rellenos de albañilería en el exterior.

§ Estadio ampliado en 1995 con estructura de concreto precolado. (Capacidad: 21,150)

Condiciones Existentes

1. Deterioro del concreto:


Ciclos de congelamiento y descongelamiento



2. Posible debilitamiento del sistema resistente a fuerzas laterales del estadio por renovaciones de 1995

– Estudio anterior: reforzamiento debido a cargas laterales causadas por

el movimiento del público: 24 lb/ft (36 kg/m) – IBC 2003

– Ensanchamiento de elementos estructurales, construcción de arriostres – $$$

Section 9 Section 8

Alteración de Muros


Ensanchamiento de Vigas y Columnas

Instalación de Arriostres

Antecedentes de la Carga Lateral (Sway Load = 24 lb/ft)


Basado en la fuerza desarrollada por nueve o tres personas “a las que les

pidieron desarrollar su máximo esfuerzo al unísono para crear la máxima fuerza horizontal posible”



§ Inspección de todos los elementos estructurales– Graderías (partes superiores e inferiores)

– Vigas, columnas y muros de albañilería

§ Determinar el deterioro interno en las graderías de concreto usando Impulse Response

§ Revisión Estructural– Análisis Estructural

– Pruebas de carga:

• Carga Vertical: relacionar el deterioro a la seguridad de la estructura

• Carga Lateral: evaluar la resistencia a cargas laterales



§ Los ensayos no destructivos mostraron un grado de deterioro variable.

– Algunas secciones con areas extensas de deterioro



§ Pruebas de carga vertical demostraron que las graderías podían soportar la carga de diseño.


Pruebas de Carga Lateral

98

Gatos

Hidráulicos

8 9

§ Pruebas de carga lateral demostraron que las graderías podían resistir la carga lateral de diseño.

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0.060

0.070

D E F G

Column Line

Dis

pla

ce

me

nt

(in

)

Load Test Results

Analytical (With Wall)

Analytical (Without Wall)

Estrategia de Reparación y Rehabilitación

§ Graderías de concreto– Reparación de espesor parcial y total

– Protección:

• Membrana impermeabilizante en la parte superior

• Capa de anti-carbonatación en la parte inferior

§ Muestras de Reparación (Mockups)– Investigar procedimientos para demolición del concreto, métodos

de reparación

– Afinar los costos y programa de construcción

§ Desarrollar una estrategia de reparación y mantenimiento por 65 años– Estimar cantidades a reparar y costos para los siguientes 65 años

– Desarrollar varios tipos de reparación




Reparación – espesor total

Hydrodemolition


Reparación – espesor parcial

Ensayos de Adherencia



Impermeabilización


MURO DE CONTENCION – WORLD TRADE CENTER, NEW YORK


§ Muro original parte del nuevo complejo

§ Museo a la Memoria mostrara una sección del muro

Construcción Original


§ Muro pantalla construido aproximadamente en 1970 – Slurry Wall

Method

§ Contención de suelo y agua para la construcción de las Torres Gemelas

§ Soportado lateralmente por las losas de los parqueos.



§ Muro en malas condiciones después del 11 de Setiembre del 2001

– Incendios

– Fuerzas equivalentes a un sismo de magnitud 2.3

§ Soporte lateral de las losas del parqueo desapareció por el colapso

§ Expuesto a la intemperie desde el 2001

§ Instalación de anclajes temporales (tiebacks) en 2003

– Anclajes sin protección contra la corrosión



§ Inspección del muro– Deterioro

– Indicación de movimiento lateral

– Ensayos de la adherencia entre el refuerzo

§ Ensayos no destructivos– Ensayos de corrosión del refuerzo y el concreto

§ Pruebas de laboratorio– Contenido de cloruro

§ Petrografía– Daños debido al fuego y la intemperie



§ Muro estable pero con bastante deterioración

§ Muro no era adecuado para resistir las cargas laterales

– Vida de servicio del museo = 100 años

Estrategia de Estabilización

§ Sección no expuesta a la vista: (60 m.)– Construccion de un muro delante

(1.20 m de espesor), anclado al terreno (roca) con tiebacks y

– Muro soportado verticalmente con pozos de cimentación (caissons)

§ Sección expuesta a la vista: (20 m.)– Construcción de muro detras

– Excavación para instalar pilastras de concreto anclados a la roca.

– Construcción de muros entre las pilastras

– El muro es soportado verticalmente con caissons


Vista en Planta

Sección no expuesta

Sección expuesta



Sección no expuesta


Sección expuesta

Vista en Planta


Construcción – Sección Expuesta a la Vista


Instalación de columnas de acero

Colocación del concreto en alzadas


Construcción – Sección Expuesta a la Vista

Instalación de anclajes

Muro acabado

Liner Wall

Third lift underway

26 June 2008

Construcción – Sección No Expuesta a la Vista

Excavación para las pilastras (20 m. aprox.)

Encofrado


Third lift underway

26 June 2008

Construcción – Sección No Expuesta a la Vista

Concreto colocado


PREGUNTAS ?

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